作者简介 :苏美开 (1964 - ) ,男 ,北京理工大学光电工程系博士 生 ,目前从事半导体激光器可靠性测试方法研究 ,已发表论文 50 余 篇。
管 (LD) 已大范围的应用于光纤通信 、激光唱盘 、信息存 储 、医疗 、泵浦固体激光器等领域 ,对于 LD 在任何 领域的应用 ,总希望其能长期可靠的工作 ,例如海底 通信系统要求器件可靠工作 20 年以上[1 ] ,因此 LD 可靠性和寿命测试的研究已成为当前的热点 。这些 研究归纳起来有激光器参数测量法[2 ] :如电导数测 量法 、热阻测量法 ;加速寿命测量法 :如热应力加速 测量 法[3 - 5 ] 、电 应 力 加 速 测 量 法 ( 包 括 大 电 流 加 速[6 ]和静电冲击[7 ]) 等 。但是这些研究中大多只给 出了实验结果 ,没有给出系统的理论分析和系统的 测试方法。本文基于加速寿命的基本概念 ,参考普通 半导体器件寿命测试方法 ,给出了高温条件下加速寿 命测试的数学模型。并详实叙述了 LD 寿命测试系 统设计 :即通过采集恒流工作 LD 的平均输出光功率
尔兹曼常数 :1138 ×10 - 23J / K , T 为热力学温度 。 设通过实验可以测得某温度 T1 下器件寿命为
L1 ,从 (3) 式仍不能推得其它温度下的寿命 ,因为有 两个未知数 。因此测试温度应有两个 ,即还需测得 另一个温度 T2 下器件寿命为 L2 ,根据 (3) 式可以求 得激活能 Ea 。这样便可以求得温度 T1 对某温度 T3 下的加速系数 K3 :
合算的 ,甚至是不可能的 。例如对于某种器件 ,如果 要求其失效率为 216 ×10 - 8/ 小时 ,抽取 1000 只进 行试验 ,若允许 5 只失效 ,则需试验 22 年 。因此提 出了加速寿命试验来预测器件寿命 ,即用较短的时 间加速老化预测器件寿命 。
LD 的老化寿命测试原理是基于 Arrhenius 模 型[8 ] ,利用该模型可以发现由温度应力决定的反应 速度的依赖关系 ,即
1 、图 2 。可以看出 ,激活能 Ea 越大曲线倾斜越大 , 与温度关系越密切 ,加速系数越大 ;温度越高加速系 数越大 。
由于器件向失效发展的机理不同 ,其能量势垒 的高度也不同 ,所以其激活能量值 Ea 也不一样 ,就 像其它半导体器件一样[10 ] ,根据激活能 Ea 量值推 出失效机理 ,据此改进器件设计和生产工艺 。某一 批次器件的 Ea 可看出近似相同 。
加速寿命试验的目的概括起来有 :可以在较短 时间内用较少的元器件估计高可靠器件的可靠性水
平 ,运用外推的方法快速预测器件在正常条件下的 可靠度 ;可以在较短时间内提供试验结果 ,检验工 艺 ;在较短时间内暴露器件的失效类型及形式 ,便于 对失效机理进行研究 ,找出失效原因 ;淘汰早期失效 产品 ;测定元器件的极限使用条件 。 212 寿命测试的理论依据 21211 寿命的定义
寿命测试是在老化筛选的基础上进行 。LD 寿 命是表征其可靠性的物理量 。是根据不同要求人为
规定的 ,如规定 LD 恒流工作时 ,其功率下降 10 %时 (也可以规定 20 % ,30 % ,50 %等等) 对应的工作时 间为其寿命 L10 % ,或规定 LD 恒功工作时 ,其工作电 流升高 5 %时 (也可以规定 20 % ,30 % ,50 %等等) 对 应的工作时间 。又分为平均寿命 、中位寿命等等 。
随时间变化的信息 ,绘制 LD 的老化曲线 ,即恒流条 件下的 P - t 曲线 (实际情况下只监控相对值的变化 , 即 △P/ P0 - t 曲线) ,或通过采集恒功工作 LD 的工作 电流随时间变化的信息 ,即恒功条件下的 I - t 曲线 (实际情况下只监控相对值的变化 ,即 △I/ I0 - t) 曲 线) ,然后推断 LD 正常条件下使用寿命。 2 理论依据 211 加速寿命的基本概念
3 寿命检测系统的设计 整个系统有四大部分组成 (图 3) :控制柜 、测试
柜 、充氮机和水循环冷却机 。控制柜内有 :4 ×16 路 LD 驱动电源 、4 路加热电源和工控机 (包括控制部 分 、数据采集部分) ;测试柜内有 4 层密封盒 ,密封盒 内有 16 路样品架 、16 路 Ge 探测器及 LD 加热板 、 探测器冷却系统 ;另有抽真空机 、充氮装置和水循环 冷却机 。 系统采用一台工控机作为数据采依及处理子系 统的操作平台 ,操作系统选用 Windows98 ,数据分析 处理软件自行设计 ,采用 VC 作为软件开发语 言 ,电流信号的采集和控制采用 GP - IB 接口进行 通信 ;LD 驱动电源由电流源和电流源控制两部分 组成 ,可提供电流为 0～1000mA ,输出电流误差为 满标度的 ±(1/ 4096) ,并有欠压过压保护和尖脉冲 保护功能 ,电流源控制部分采用 51 系列单片机来监 测电源的实时工作以及输出光功率 ,控制电流源实 现恒流 (ACC) 和恒功 (APC) ,并通过 GPIB 接口与
摘 要 :文中介绍了半导体激光二极管 (LD) 寿命测试的理论依照 ,给出了寿命测试的数学模 型 ,并据此设计了 LD 高温加速寿命自动测试系统 。系统通过采集恒流工作 LD 的平均输出光 功率随时间变化的信息 ,绘制 LD 的老化曲线 ,即恒流条件下的 P - t 曲线 ,或通过采集恒功工 作 LD 的工作电流随时间变化的信息 ,即恒功条件下的 I - t 曲线 ,然后推断 LD 正常条件下的 常规使用的寿命 。 关键词 :激光二极管 ;高温老化 ;寿命测试 ;激活能 中图分类号 : TN365 ; TN407 文献标识码 :A
平均寿命 :常用的一种寿命特征量 ,是指一批器 件寿命的平均值 。如有 N 个器件 ,它们的寿命平均 值为
下的寿命 ,然后推得其他温度下的寿命 。这就要求 被测器件的数量应足够多 ,才能避免个性影响 ,而得 到共性 ,即得到统计寿命值才线 激活能与失效机理 激光器从正常状态进入劣化状态的过程中 ,存 在能量势垒 ,跃过这个势垒所需要的能量必须由外 部供给 ,这个能量势垒就称为激活能[9 ] 。由 ( 4) 式 可以绘出温度 、激活能与加速系数之间的关系如图
总之 ,激活能 Ea 可以由加速寿命试验测得 ,也 可由设计生产者提供 ,之后就可以根据 (5) 式外推器 件在任意温度条件下的寿命 。
上端工控机通信 ,完成信息的交流 ;温度控制系统是 提供进行 LD 老化和寿命实验的工作环境 ,包括电 加热板 (或加热模) 和温控仪 ,温控仪采用位式 PID 控制 ,控制误差为 015 % ,从而实现温度监控 、温度 报警等功能 ;系统使用密封盒将受试器件与大气隔 绝 ,并充氮气 ,保护含 Al 器件不会因表面氧化而非 正常老化 ;由于测量器件 Ge 探测器与受试器件处于 同一环境中 ,因此在高温测试时同时需要对 Ge 探测 器冷却降温 ,以延长其常规使用的寿命 ,本设计采用 100W 4 路水循环冷却机 ;样品架根据 LD 不同封装形式进行 设计 ,图 4 是 Chip on Mount LD 测试样品架 ;为了固 定可靠和重复安装便捷采用燕尾槽式结构 。
